基于STM32单片机的新型智能拐杖设计

邹力棒 赖子龙 李欣 张书林

摘 要：针对市场上功能单一的普通手持拐杖已经无法保障拐杖使用者安全外出的问题。本文设计了一款具有GPS定位、温湿度播报、障碍预警等新颖功能的新型智能拐杖，以保障拐杖使用者外出时的安全，为拐杖使用者提供便利。该新型智能拐杖具有操作难度低、实用性强、成本低等优点。

关键词：智能拐杖;STM32单片机;摔倒预警;温湿度测量

在人口老龄化趋势严峻、外地就业人口日渐增长的形势下，老人的独居率逐渐增高。此外，根据世界卫生组织的统计，我国是世界上盲人最多的国家，2022年我国盲人数量已经突破1730万。面对大量的独居老人以及盲人群体，新型智能拐杖市场具有良好前景。经过调研得知，目前市场上的拐杖功能太过单一，仅有少量新型的拐杖功能较为新颖，但由于其售价过高，并不适合大部分的拐杖使用群体。综合上述两方面，对于拐杖使用者而言，需要一款价格合理、功能齐全的新型智能拐杖，因此设计该款新型智能拐杖意义深远。

一、总体设计

本文设计的新型智能拐杖以STM32f103系列单片机为核心，外接摔倒预警模块、GPS定位模块、紧急呼救模块、语音播报模块以及温湿度测量模块，其系统结构图如图1所示。当使用者预设安全距离内存在障碍物时，系统自动报警提醒使用者在某方向上存在障碍物;当使用者遇到摔倒受伤后无法站立等紧急情况时，可通过紧急呼救键将GPS模块采集到的地理位置信息以短信形式发送到预设的联系人手机;在日常生活中，使用者还可以通过拐杖的温湿度测量功能查看实时的温湿度。

二、拐杖结构

（二）操作部分

新型智能拐杖操作部分采用手握主体部分和按键外套分离式设计。其中手握主体部分的材料采用强度较高的聚碳酸酯材料，外表面采用不易打滑的尼龙软质材料以增加使用者的舒适度。按键外套设计成软体扣合模式，按键外套设计有电源键、呼救键、紧急呼救键等功能键，其中LED灯的开关位于拐杖把手下端。拐杖操作部分如图2所示。

（二）主板盒部分

考虑到新型智能拐杖控制系统主板设计复杂，主板及硬件安装在拐杖内部的难度较高，且在实际使用时易出新型现智能拐杖因跌落而损坏的情况，故采用新型智能拐杖的系统主板部分与拐杖操作部分分离式设计。主板安装于具有防震功能的系统主板盒之中。拐杖杆件与控制盒部分通过主板盒后的两个卡扣相连接，此连接方式既有利于后期功能扩展，也有利于降低新型智能拐杖的维修难度与维修成本。同时，卡扣部分同为超声波传感器的安装位置。主板盒部分如图3所示，卡扣如图4所示。

（三）拐杖底座

新型智能拐杖底座设计为可拆卸更换式底座，使用者可根据自己的需求选择较轻便的单脚拐杖底座或更稳定的三角底座，当底座损坏时使用者可通过更换底座的方式进行维修。可拆卸底座设计延长了新型智能拐杖的整体使用寿命，降低了底座维修难度，使用者可通过底座更换的方式进行迅速维修。

三、功能及原理

（一）STM32单片机

本文设计的新型智能拐杖采用的是STM32f103系列单片机，新型智能拐杖各功能模块均通过其控制处理而实现。STM32f103系列單片机使用32位的RISC内核，其基础频率为72MHz，内置高速存储器，增强IO端口以及连接两条APB总线的外设。其主系统由四个驱动单元（ICode总线、DCode总线、系统总线以及DMA 总线）与三个被动单元（内部SRAM 、内部闪存存储器、AHB2APBx）所构成。其系统架构如图5所示。

（二）障碍预警

新型智能拐杖系统主板盒内采用HC-SR04超声波测距传感器处理模块。超声波传感器接口模块通过卡扣内部的线槽与主板盒内的HC-SR04超声波测距传感器处理模块有线连接。该传感器可提供2～400cm的测距范围，测距精度可达到3mm，本设计测距范围采用5～50cm即可。当测得使用者与周围障碍物的距离小于程序预设定安全距离时，蜂鸣器启动，提醒使用者其周围存在障碍物，语音播报模块通过播报提示语音提醒使用者在某具体方向上有障碍物。当使用者与障碍物保持安全距离后，报警解除。新型智能拐杖通过上述工作原理实现障碍预警、预防使用者摔倒的功能。

（三）GPS定位及GSM上报

GPS模块采用的是AN1605BATK-NEO-6M版本，模块核心采用 SkyTraq 公司的 S1216F8-BD 模组，该模组具有 167 个通道，追踪灵敏度高达-165dBm，测量输出频率最高可达20Hz。ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模块具有以下特点：（1）体积小巧，性能优异（2）模块可通过串口进行各种参数设置，并可保存在内部FLASH，使用方便。（3） 模块自带 IPX 接口，可以连接各种有源天线，适应能力强。（4）模块兼容3.3V/5V 电平，方便连接各种单片机系统 。STM32单片机将GPS模块采集到的信息读写转换成经纬度后便获得了精确的地理位置。其原理图如图6所示。

通讯模块采用GSM模块。当使用者遇到紧急情况按下紧急求助键后，GPS模块采集到的经纬度信息通过STM32运算控制中心转换为地理位置坐标信息，GSM通讯模块将转换得到的地理位置信息发送至预设的联系人手机上，以实现紧急呼救的功能。

（四）摔倒预警

基于MPU6050模块可实现摔倒警报。MPU6050模块内嵌了3轴陀螺仪和3轴加速度传感器。MPU6050模块利用自带数字运动处理器直接对数据进行融合、演算，根据姿态数据判断拐杖是否处于摔倒状态。为了防止误触发，若MPU6050模块判别当前姿态为摔倒姿态，则由STM32单片机计算摔倒时长，达到预设第一段时长后蜂鸣器发出警报，语音模块发出语音提示，此时使用者可手动解除警报;如超过程序预设第二段时长，新型智能拐杖仍未恢复到正常状态，GSM通讯模块将摔倒地理位置、摔倒时间等状态信息上报至预设联系人手机。

（五）温湿度测量

温湿度测量采用体积小且精度较高的数字信号温度传感器 DS18B20 和湿度传感器 DHT11 。温湿度传感器将采集到的拐杖周围的温湿度信息通过IIC接口传输给STM32单片机。使用者按下温湿度测量键后，语音播报模块播报使用者周围的温湿度情况。温度传感器原理：温度传感器产生一个随温度线性变化的电压，该电压信号通过STM32单片机的ADC-IN16输入通道进行AD转换后转变成数字信号。

（六）语音播报

新型智能拐杖所采用的语音芯片为XFS5152CE语音合成模块，该款芯片在内部集成了语音编码功能以及译码功能，且支持30个自定义语音命令，极大地方便用户与拐杖进行语音交互。STM32单片机与XFS5152CE语音合成模块联用时，模块的8脚和10脚与STM32的串口交叉连接。使用者可实现语音控制发送GSM紧急呼救、主动查询温湿度、开关LED灯等操作。

四、结语

本文设计的新型智能拐杖主要面向独居且行动不便的老人以及盲人群体。在拐杖基本功能方面，按照不同使用者需求而设计了可更换式底座，提高不同用户的体验感;在提升功能方面，增加了防摔倒预警、紧急呼救、GPS定位、温湿度监测等功能，并通过智能语音播报形式降低使用难度提高用户体验感。

参考文献：

[1]林瑾，朱羽然，王冠.多功能智能拐杖设备的研究[J].电子设计工程，2021，29（18）：99-102+114.

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[4]郝结来，王子权，林华.基于STM32的多通道温湿度测量仪设计[J].电子设计工程，2021，29（11）：74-79.

[5]刘火良，杨森编著.STM32库开发实战指南 基于STM32F103[M].北京：机械工业出版社，2017.

基金项目 ：2021年景德镇陶瓷大学19级别大学生创新创业训练计划项目《新型智能拐杖》，项目编号为：S202110408049。